Teoria Strun III [Muzyczna rewolucja]

---

Rewolucja i moc przewidywania

---

Wszystko zaczęło się od funkcji beta Eulera. Po około dwustu latach od czasu gdy Leonhard Euler zapisał swoją słynną funkcje fizyk o nazwisku Veneziano podczas badań nad właściwościami oddziaływania silnego zauważył, że funkcja beta sukcesywnie opisuje właściwości cząstek, które oddziałują silnie.

Dotychczas funkcja beta Eulera miała zastosowanie czysto matematyczne. Dawała ona wiele ciekawych wyników dotyczących oddziaływania silnego. Nikt jednak nie wiedział dlaczego tak na prawdę działa. Było tak do czasu aż Leonard Susskind wraz z dwoma innymi fizykami odkryli, co tak naprawdę kryje przed uczonymi funkcja beta Eulera. Dowiedli oni, że jeżeli przedstawimy dotychczas punktowe cząstki za pomocą jednowymiarowych strun, to funkcja beta opisze ich oddziaływanie jądrowe. Wydawało się to naprawdę kuszące. Jednak dalsze badania z użyciem silniejszych akceleratorów ujawniły sprzeczność teorii strun z doświadczeniem. Na mocy metody naukowej została ona wyrzucona do kosza, lecz nieliczna grupka teoretyków odurzona jej subtelnością pracowała nad nią dalej. Pałeczkę przejęła chromodynamika kwantowa, która odwoływała się do cząstek punktowych. Problem z doświadczeniem polegał na tym, że teoria strun przewidywała cały wachlarz cząstek, które nie były zauważone przez fizyków doświadczalnych.
Nie trzeba było długo czekać aż teoria strun wróci do gry. Schwarz podczas badań odkrył coś niesamowitego. Analizował on różne rodzaje drgań struny i zauważył, że jedno z tych drgań odpowiada hipotetycznej cząstce przenoszącej oddziaływanie grawitacyjne - grawitonowi. Co to oznaczało? Teoria strun nie jest tylko i wyłącznie teorią kwantową. Uwzględnia ona w swoim formaliźmie również grawitacje! Co było dalej? Kolejna sprzeczność. Badania wykazały rozbieżność pomiędzy mechaniką kwantową i teorią strun. Na szczęście było to chwilowe. Sprzeczność ta została rozwiązana również przez Schwarza po czym całe środowisko naukowe skierowało oczy na nowe dzieło zwiastujące unifikację praw przyrody. Tak właśnie rozpoczęła się pierwsza rewolucja superstrunowa.

Potęga teorii strun przejawiła się w jej przewidywaniach. Nie wymaga ona wprowadzania danych doświadczalnych aby mogła mieć jakąś wartość. Jej wyjątkowość charakteryzuje się tym, że wystarczyło wprowadzić koncepcję struny, aby fizyka rozwijana przez ponad wiek zaczęła w sposób wyrafinowany bezpośrednio z niej wynikać. Czy nie jest to wyjątkowe? Teoria, która tłumaczy dlaczego cząstki i siły mają takie a nie inne właściwości i jak to się dzieje, że oddziałują. A to wszystko - jak pisałem wyżej - bez wprowadzania danych doświadczalnych jak to bywa w modelu standardowym. Wszystko to zawiera się w niekończącym się asortymencie teorii strun. Brzmi wyjątkowo i sądzę, że gdy uda nam się odsłonić co na prawdę skrywa zmieni to całą naukę (jeżeli TS jest prawdziwa). Odkryła ona tylko skrawek swojego bogactwa. To tak jakbyśmy spoglądali na jej istotę przez uchylone drzwi przy zgaszonych światłach. Wynika to z tego, że formalizm teorii jest tak skomplikowany, że naukowcy muszą zaspokoić się przybliżonymi wynikami, które wynikają z równań... Przepraszam. Przybliżonymi wynikami przybliżonych równań! Taka sytuacja panowała w czasach pierwszej rewolucji superstrunowej, której kres zbliżał się wielkimi krokami. Pewnego dnia przyszedł czas na drugą rewolucję lecz zajmiemy się nią wkrótce.

---

Struny i muzyka

---

Czy struny posiadają wewnętrzną strukturę? Są dwie możliwości. Pierwsza możliwość to koncepcja wedle której struna jest fundamentalna i nie posiada wewnątrz nic nowego. Przy tak postawionej sprawie struny byłyby prawdziwymi atomami Greków. Nie byłoby sensu badać ich wewnętrznej struktury, ponieważ nic nowego byśmy nie znaleźli niezależnie od tego jak głęboko zanurzylibyśmy nasze mikroskopy przyszłości. A co jeżeli struna nie jest fundamentalna? Wtedy przyszłość powinna nam dać wgląd w kolejne poziomy materii. Są naukowcy którzy rozważają taką możliwość. Minie jeszcze długi czas zanim będziemy w stanie (jak w ogóle będziemy) zaobserwować strunę. Ich wielkości są rzędów długości Plancka, czyli są o miliardy miliardów mniejsze niż jądro atomu. Przyjmijmy na potrzeby tej serii artykułów, że struna nie posiada wewnętrznej struktury.

Wspominałem w poprzednich artykułach, że teoria strun jest w pewien subtelny sposób związana z muzyką. Spróbujmy dokładniej zrozumieć dlaczego. Wyobraźmy sobie struny skrzypiec. Podczas gry na skrzypcach struny drgają na wiele sposobów tworząc różnorodne wzory drgań, które nasz zmysł słuchu rejestruje jako różne dźwięki. Te wzory drgań nazywamy rezonansami.

Struny skrzypiec drgają w ten sposób, że między dwoma końcami struny mieści się całkowita liczba grzbietów i dolin. Podobnie sprawa wygląda w odniesieniu do strun w naszej teorii. Drgania rezonansowe struny powstają dzięki temu, że całkowita liczba regularnie ustawionych grzbietów i dolin mieści się w rozmiarach przestrzennych struny. Koncepcja polega na tym, że tak jak różne drgania struny skrzypiec dają nam różne dźwięki, tak różne drgania struny fundamentalnej dają nam różne masy cząstek i różne ładunki sił. Jest to bardzo ważne. Według teorii strun właściwości cząstek elementarnych jak masa, czy ładunek są skutkiem drgań rezonansowych, które wykonuje ich struna. Aby zrozumieć zagadnienie weźmy najprostszy przykład. Gdy zechcemy pograć sobie na skrzypcach zauważymy, że gdy bardziej szarpniemy struny skrzypiec, tym w większe drgania je wprawimy. Możemy wtedy opisać taką strunę za pomocą jej amplitudy drgań, czyli maksymalnego odchylenia między grzbietami a dolinami, oraz długości fali, czyli odległości pomiędzy jednym maksimum, a drugim. Im większa amplituda i im mniejsza długość fali tym większa energia drgań struny skrzypiec. Oznacza to, że szybsze drgania mają większą energię, a wolniejsze drgania mniejszą. Analogicznie do strun fundamentalnych im bardziej drga struna tym większą posiada energię. Ze szczególnej teorii względności wiemy, że masa i energia są do siebie wprostproporcjonalne. Oznacza to, że zachodzi bezpośredni związek między energią drgań struny, a masą cząstki elementarnej. Innymi słowy, im mocniej drga wewnętrzna struna cząstki, tym cząstka ta ma większą masę, a także energię. Zapisując to w postaci wniosku.

Masa cząstki jest całkowicie zdefiniowana przez energię drgań jej wewnętrznej struny.

Kolejnym ciekawym wnioskiem jest fakt, że masa cząstki określa jej właściwości grawitacyjne. Zachodzi zatem kolejny związek pomiędzy energią drgań struny, a grawitacją. Ten fakt właśnie pokazuje nam, że teoria strun uwzględnia grawitację. Odkryto również wiele innych związków między drganiami struny, a właściwościami cząstek. Okazuje się, że różne drgania harmoniczne odpowiadają różnym cząstkom elementarnym, a także cząstkom przenoszącym oddziaływania jak foton, czy gluon. Wszystkie cząstki, które możemy zaobserwować, to według teorii strun nic innego jak struny o różnej energii drgań. Jest to pierwsza koncepcja, która jest w stanie wytłumaczyć różnorodność właściwości cząstek występujących w przyrodzie. Nie pozostaje nam nic innego jak spróbować określić wszystkie możliwe rezonansowe drgania struny. Moglibyśmy wtedy sprawdzić doświadczalnie, czy rzeczywiście opisuje to dokładnie wszystkie obecnie odkryte cząstki, a także pozwoliłoby nam odkryć nowe. Problem jednak polega na tym, że nie sposób uderzyć w fundamentalną strunę i wprawiać je w różne drgania. Jest ona zbyt mała. Możemy to jednak robić z pomocą ołówka i kartki papieru - czysto teoretycznie. W teorii fizycy starają się wyznaczyć tak zwane widma drgań, które określają paletę możliwych energii struny. Istnieją jednak pewne skomplikowane przeszkody, aby porównać te wartości z doświadczeniem. Nawet jeżeli teoria strun opisuje z niewiarygodną dokładnością nasz wszechświat, to jest to jeszcze w swojej pełnej postaci przed nami ukryte do czasu, aż opracujemy nowe metody analizy matematycznej.